脉冲激光测距的时间间隔测量方法
脉冲激光测距的时间间隔测量方法
作者:陈瑞强;江月松
激光测距方法主要有分脉冲激光测距法、连续激光相位测距法、三角测距法及光子计数测距法。脉冲激光测距通过测量发射与接收激光脉冲之间的时间间隔,获取目标距离信息,具有激光发射峰值功率高、探测距离远以及对光源相干性要求低等优点,在地球地貌测绘、资源调查、城市三维建模和工业测量等领域得到广泛应用。脉冲激光测距仪的精度主要依赖于接收通道的带宽、信噪比、回波时刻鉴别精度和激光脉冲飞行的时间间隔的测量精度等,其中时间间隔的测量精度对测距精度起重要作用。现有的时间间隔测量方法主要有数字计数法、模拟法、插值法和延迟线法。数字计数法原理简单,直接使用基准时钟计数,测量范围很大,但基准时钟频率很难做到很高,测量精度差;模拟法将时间间隔与某些物理变化量(如电压、电荷、频率和相位等)相对应,通过测量物理变化量间接计算出时间间隔,虽然测量精度很高,但测量范围受到限制;插值法结合数字计数法和模拟法的优点,使用模拟法缩小数字计数法中存在的误差,弥补了二者的不足;延迟线法利用信号在介质中延迟特性,可以获得精度较高的测量结果。
本文提出的脉冲激光测距的时间间隔测量方法,借鉴了插值法的思想,一方面利用三角波参考信号的周期性特点,克服了模拟法测量范围受限的缺点;另一方面利用模拟法测量精度高的优点,将时间间隔转换为三角波参考信号的电压信息,通过测量不同时刻三角波参考信号的电压值,获得较高的时间间隔测量精度,因而同样具有插值法测量范围大和测量精度高的优点。与传统插值法相比,本文提出的时间间隔测量方法具有以下优点:1)传统插值法必须结合使用数字计数法和模拟法,而本文提出的时间间隔测量方法只需要使用一种三角波参考信号即可达到插值法的效果,因此原理更简单。2)在实际工程实现上,传统插值法需要同时使用较高频率(一般为几百兆赫兹)的计数脉冲和较高精度的电容进行充放电操作,且电容两端电压与充放电时间是非线性关系,电路结构及后期计算较复杂。而本文提出的时间间隔测量方法,使用的三角波参考信号频率较低(几十兆赫兹)且电压与时间符合线性关系,直接测量三角波参考信号的电压值即可。另外,本方法中需要记录三角波参考信号的波峰和波谷个数,现有的电路实现技术也很成熟,不存在技术难点。
本文开展了脉冲激光测距中时间测量方法的研究,提出使用三角波参考信号实现时间间隔测量的方法。利用现有的实验条件,定量说明了三角波参考信号中噪声对本文测量方法精度的影响机理。
2 测量原理
实现时间间隔测量的信号时序关系如图1所示,设三角波参考信号的参数如下:频率为f,波峰值为Vp,波谷值为0,斜率γramp=50% 。开始计时脉冲的前沿到达时,使用模数(A/D)转换器(ADC)获取三角波参考信号的电压值,记为V1;停止计时脉冲的前沿到达时,使用 A/D转换器获取三角波参考信号的电压,记为V2。在时间间隔tm 内,三角波参考信号经历的波峰数为np1,波谷数为np2。
使用Vtype表示三角波参考信号在时间间隔tm内经历的第一个极值点的类型:如果没有经历极值点,则Vtype=0;如果第一个极值点为波峰,则Vtype=1;如果第一个极值点为波谷,则Vtype=2。
3 时间间隔测量误差分析
3.1 理论测量误差
从测量原理可知,如果三角波参考信号是理想的,则用于获取三角波参考信号电压值的 A/D转换器的分辨率是影响测量精度的原因。由此可知,使用文中提出的方法,可将时间间隔测量误差减小到三角波参考信号周期的1/2m 。因此在理论上,使用较低频率的三角波参考信号即可获得较高的时间间隔测量精度。
3.2 实际测量误差
在实际测量中,三角波参考信号的性能(频率、信号线性度等)并不是绝对稳定的,总有一定的抖动性,而且含有干扰噪声,因此需要综合考虑实际测量误差。传统的信噪比定义使用的是电压有效值,无法直观地反映噪声对测量误差的影响程度。当m、β 和γ 确定 ,减小噪声因子或提高三角波参考信号的频率都可以减小时间间隔测量误差。但在实际应用中,三角波参考信号中的噪声难以降低,所以噪声因子不可能取到很小。另外,当三角波参考信号的频率很高时,信号谐波失真也会变得很严重(谐波失真的定量分析和测量是很复杂的,本文没有讨论),无法满足文中的时间间隔测量方法。因此,需要根据实际应用场合,合理选择三角波参考信号的频率和噪声因子。
4 数值仿真
不考虑三角波参考信号谐波失真的条件下,设三角波参考信号的频率稳定度β=2×10-6,斜率γramp=50%,信号线性度γ=0.05%;A/D转换器的位数m=12bit。三角波参考信号的频率f=1~50MHz)和噪声因子(ε=0.001~0.01)对测量误差影响的仿真结果。
1)当三角波参考信号的频率f<10 MHz,三角波参考信号中噪声对测量误差有明显影响。当f=1MHz,ε由0.01减小到0.001时,时间测量误差降低了约9ns。
2)当三角波参考信号的频率f>10 MHz,三角波参考信号中噪声对测量误差的影响开始变得不明显。当f=10MHz,ε从0.01减小到0.001时,时间测量误差降低了约0.9ns。
3)当三角波参考信号的频率f=20MHz,噪声因子ε=0.001时,时间间隔测量误差约为100ps。
5 实验验证
5.1 实验方案
实验方案中设备的具体参数可参考表1所示。脉冲激光器发射的激光脉冲经分束镜比例分束,其中约3%的激光脉冲能量通过窄带滤光片打到PIN 光电探测器上,得到的电信号经时刻鉴别电路的固定阈值电压比较器产生开始计时脉冲;其中约97%的激光脉冲能量通过窄带滤光片打到雪崩光电二极管(APD)光电探测器上,得到的电信号送入信号延迟器产生预设延迟后,经时刻鉴别电路的固定阈值电压比较器产生停止计时脉冲。时刻鉴别电路输出的开始计时脉冲和停止计时脉冲以及信号发生器产生的三角波参考信号同时由示波器记录下来,使用计算机分析记录的实验数据并根据(1)式计算可得到开始计时脉冲与停止计时脉冲之间的时间间隔。
5.2 实验标定
为了准确评价三角波参考信号对时间间隔测量误差的影响,需要首先标定时刻鉴别电路输出的开始计时脉冲和停止计时脉冲的抖动误差。实验方案中,脉冲激光器输出功率和电压比较器的阈值电压都是固定的,光电探测器的噪声很小(约3mV),同时使用的高速电压比较器(ADCMP582)的输出抖动只有10ps,因此开始计时脉冲和停止计时脉冲的抖动误差很小。使用安捷伦9254A 示波器观察时刻鉴别电路输出的信号,开始计时脉冲和停止计时
脉冲的抖动误差约30ps。
5.3 数据处理方法
5.3.1 噪声因子的计算方法
将示波器记录的实验数据导入 Matlab软件中,分析其中三角波参考信号的数据:
1)遍历三角波参考信号数据,使用迭代法筛选出三角波参考信号每个周期内的波峰值(Vp);
2)计算波峰值的平均值(Vs_p_mean)和标准方差(Vn_stb);
3)将步骤2)中得到的数值,代入(5)式中,计算出三角波参考信号的噪声因子。
5000次三角波参考信号的波峰值分布情况,计算可知波峰平均值Vs_pp_mean=373.3mV,波峰标准方差Vn_std=1.3mV,三角波参考信号的噪声因子ε=0.0034。
5.3.2 时间间隔的计算方法
将示波器记录的实验数据导入 Matlab软件中,在一个时间间隔测量周期内:
1)以开始计时脉冲信号上升沿的半高点作为开始计时时刻,获取三角波参考信号的电压值V1;
2)以停止计时脉冲信号上升沿的半高点作为停止计时时刻,获取三角波参考信号的电压值V2;
3)记录开始计时时刻到停止计时时刻,三角波参考信号经历的极值点信息np1、np2和Vtype;
4)将步骤1)~3)中的数据代入(1)式,计算得到开始计时脉冲到停止计时脉冲的时间间隔,在表1所示的实验条件下,得到如图5所示的5000次时间间隔测量结果生成的直方图。统计结果表明,时间间隔的平均值是102.0ns,标准方差是4.2ns。
5.4 噪声因子对时间间隔测量精度的影响
通过改变表1中信号发生器的电压峰值和偏置电压,可以得到不同波峰电压值(波谷电压值始终为0)的三角波参考信号,使用4.3节的数据处理方法,分别计算出三角波参考信号的噪声因子和时间间隔的标准方差。由于使用示波器记录实验数据,示波器本身存在噪声,三角波参考信号的噪声因子难以做到很小,同时三角波参考信号的噪声因子较大时又没有研究意义。图6为三角波参考信号的噪声因子与时间间隔标准方差的变化关系图。
实验结果可知:
1)实验结果较真实地反映了时间间隔标准方差与噪声因子之间的关系。根据数理统计学知识,当统计样本满足随机性和独立性,而且样本数足够很大时,能很好地代表总体。实验中,每个测量值都是根据随机记录约5000个样本后计算出来的,因此具有一定的真实性。
2)当三角波参考信号的频率一定时,时间间隔的标准方差基本和噪声因子成线性关系。图6中,三角波参考信号的噪声因子从0.01降低到0.001,时间间隔的标准方差也随之降低了约90%。
3)在三角波参考信号的频率为1MHz的条件下,当噪声因子取0.001时,测量得到的时间间隔标准方差约为2ns。
6、结论
借鉴插值法思想,将时间间隔转换为三角波参考信号的电压信息,在理论上探索了文中测量方法的可行性。理论仿真结果表明,使用较低频率的三角波参考信号可实现厘米级的时间间隔测量精度和较大的时间间隔测量范围。受实验条件限制,文中测量方法的测量距离较短,测量精度相对较低,但实验结果已经能够充分说明三角波参考噪声对测量误差的影响机理,这为下一步研究工作提供了一定的参考依据。因此,后续的研究工作已经积极开展,借助现有成熟的信号发生电路技术及信号滤波技术,力求提高三角波参考信号的频率和减低噪声,实现厘米量级的实时测量系统。
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